Разработка рудных и нерудных полезных ископаемых

Основные элементы карьера

При отрытой разработке месторождение, как правило, разделяется на отдельные горизонтальные слои, обычно с учетом однородности полезного ископаемого или пустых пород. В процессе проведения горных работ горизонтальные слои приобретают ступенчатую форму. Толщу горных пород, разрабатываемую самостоятельными средствами выемки и транспорта, называют рабочим уступом.
Площадь уступа, на которой расположено транспортное и другое оборудование, предназначенное для разработки, называется рабочим горизонтом; число рабочих горизонтов в карьере равно числу рабочих уступов.
Совокупность откосов и площадок отдельных уступов, ограничивающих выработанное пространство в карьере, называется бортом карьера. Площадка самого нижнего уступа называется подошвой карьера; линии пересечения борта карьера с земной поверхностью или с подошвой карьера соответственно называют верхним или нижним контурами карьера. Различают рабочие и нерабочие борта карьеров; горные работы по добыче полезного ископаемого производятся в рабочих бортах, по уступам нерабочих бортов часто транспортируются горные породы из карьера.
По своему назначению различают рабочие площадки уступов, на которых размещается основное горное оборудование, и нерабочие площадки, оставляемые между уступами для повышения устойчивости откосов карьера (предохранительные бермы). Ширина рабочих площадок обычно изменяется в пределах от 10 до 60 м, достигая в некоторых случаях 100 м.
Поперечный разрез и план рабочей площадки уступа с размещенным на ней добычным и транспортным оборудованием изображены на рис. 206.

Нерабочие площадки устраиваются относительно узкими ширина их часто составляет всего 10—20% высоты уступа.
Высота уступа выбирается в зависимости от однородности толщи горных пород, их устойчивости и применяемого для отбойки оборудования в пределах от 3 до 20 м. Углы откосов уступов выбираются в зависимости от устойчивости горных пород от 40 до 80°.
Глубина карьеров в настоящее время достигает сотен метров; проектная глубина отдельных действующих карьеров установлена в 450—600 м.
При установлении максимальной глубины карьера (нижней границы карьера, при которой открытая разработка будет являться целесообразной), а также при решении вопроса о выборе способа разработки месторождения (открытого или подземного) производятся соответствующие технико-экономические расчеты.
При этих расчетах вводится понятие так называемого коэффициента вскрыши, представляющего отношение количества пустых (вскрышных) пород, удаляемых при открытой разработке месторождения, к единице добытого полезного ископаемого. В угольной промышленности обычно пользуются коэффициентом вскрыши, определяемым по объему удаляемых пустых пород, ,приходящемуся на 1 т угля, т. е. размерность коэффициента вскрыши будет выражаться в м3/т; в горнорудной промышленности пользуются объемным коэффициентом вскрыши, определяемым из соотношения объема породы и объема полезного ископаемого (м3/м3).
Пользуясь коэффициентом вскрыши и стоимостными показателями добычи полезного ископаемого подземным и открытым способом, а также вскрышных работ, можно установить границу экономичности применения открытой разработки месторождений.
Производственная мощность карьеров принимается весьма различной в зависимости от запасов разрабатываемого месторождения и меняется от десятков тысяч до миллионов тонн в год; из некоторых карьеров за год выдается до 30 млн. т и более полезного ископаемого.

Основные производственные процессы при открытой разработке месторождений

Выемка горных пород. Выемку горных пород из массива в карьерах три производстве работ по вскрытию, вскрышных или очистных работ можно вести с применением взрывчатых веществ и без них. Выбор первого и второго способов зависит от механических свойств горных пород. В скальных породах при отбойке применяют взрывные работы. Специфика открытой разработки придает некоторые особенности этому технологическому процессу и механизации взрывной отбойки — работы могут вестись в больших масштабах, отсутствуют стесняющие условия подземных выработок, сохраняются относительная однотипность и постоянство форм и размеров забоя и пр.
Тем не менее, для взрывной отбойки горных пород применяются те же способы, с которыми мы ознакомились ранее, а именно: отбойка зарядами BB, размещенными в шпурах; отбойка зарядами BB, размещенными в скважинах и редко в горных выработках.
Наиболее распространен в карьерах метод отбойки горных пород зарядами в скважинах, пробуренных станками шарошечного бурения (рис. 207).
Скважины на уступе располагают в один или реже в два ряда, диаметр их 150—300 мм, глубина чаще всего изменяется в пределах от 10 до 20 м (глубина скважины обычно на 10—12% больше высоты уступа; этот перебур обеспечивает лучшее разрушение породы около подошвы уступа), а расстояние между скважинами — в пределах 4—6 м.
Для бурения скважин в кварцитах находят применение станки огневого бурения.
Выемку и погрузку горных пород в карьерах ведут экскаваторами. Экскаваторы — механическая лопата применяют для выемки слабых и рыхлых пород; они также являются основным оборудованием в карьерах для ,погрузки скальных горных пород, предварительно разрыхленных с помощью взрывчатых веществ. Драглайны, многочерпаковые и роторные экскаваторы применяют в карьерах, главным образом для выемки мягких и рыхлых, а при хорошем рыхлении и для скальных пород.

Канатные, колесные скреперы и бульдозеры относятся к средствам малой механизации выемки горных пород; в карьерах небольшой производительности они могут являться основным горным оборудованием, а на крупных карьерах их используют главным образом на различных вспомогательных работах.
Транспортировка горных пород приоткрытой разработке от забоя до места разгрузки является весьма важной производственной операцией. Объем перемещаемых пород может составлять, как уже указывалось, миллионы и десятки миллионов кубометров в год. Расстояние транспортировки меняется от сотен метров до нескольких километров. Основными видами карьерного транспорта являются железнодорожный, автомобильный и конвейерный.
Наибольшим распространением пользуется железнодорожный транспорт. Подвижной состав состоит из металлических полувагонов и локомотивов. Полувагоны, применяемые на карьерах, приспособлены для автоматической их разгрузки; одни из них являются саморазгружающимися (вагоны-самосвалы, называемые часто думпкарами), другие (гондолы) разгружаются в опрокидывателях,
Грузоподъемность вагонов достигает 100 т и более. Наиболее употребительным видом локомотивов являются электровозы; весьма удобными для карьеров локомотивами являются тепловозы и особенно дизель-электровозы.
В карьерах небольшой производственной мощности применяется узкоколейный (750 мм) железнодорожный транспорт.
Карьерные железнодорожные пути разделяются на стационарные и передвижные; первые сохраняют свое первоначальное положение постоянно или в течение длительного срока, вторые должны периодически перемещаться в процессе проведения горных работ.
Передвижку путей обычно ведут механическим путем, наиболее целесообразным способом передвижки пути в карьере является переноска его отдельными звеньями с помощью кранов.
Автомобильный транспорт получил широкое применение на вскрышных работах, а на добычных работах он используется главным образом в карьерах средней производственной мощности. Порода перевозится в автосамосвалах и прицепах большой грузоподъемности (до 120 т).
Надлежащее устройство и содержание автодорог в карьере является обязательным условием производительной и экономичной работы автотранспорта. По сравнению с железнодорожным этот вид транспорта характеризуется большей маневренностью и менее жесткими условиями к профилю транспортных путей, однако при значительных грузопотоках и больших расстояниях транспортировки он менее экономичен.
Для транспортировки торных пород в карьерах используются также ленточные конвейеры. Этот вид транспорта, применимый при подъемах до 20°, обеспечивает непрерывность процесса транспортировки из карьера и большую ее производительность. В сочетании с добычными машинами непрерывного действия он используется в прогрессивной поточной технологии горных работ.
Конвейерный транспорт успешно применяется в комбинации с автомобильной доставкой горных пород от забоя до места погрузки на конвейер.
Отвальные работы. При вскрышных работах из забоя необходимо удалять большое количество пустых пород, эти породы можно размещать или в выработанном пространстве карьера, образуя так называемые внутренние отвалы, или за пределами карьера — внешние отвалы. Размещение пустых пород во внутренних отвалах экономичнее: при этом породы могут перемещаться на сравнительно короткие расстояния и без подъема их на земную поверхность. Устройство внутренних отвалов возможно при открытой разработке пластовых, пластообразных и линзообразных не очень мощных залежей. Выемка полезного ископаемого в них ведется сразу на всю мощность; в других случаях приходится устраивать внешние отвалы. Внешние отвалы стараются располагать недалеко от карьера, однако с учетом того, чтобы они впоследствии не оказались в пределах контура карьера. Для размещения отвалов целесообразно использовать рельеф местности — овраги, впадины и т. п. На ровной поверхности отвал создается за счет подъема транопортных путей над землей, для этого сооружаются первоначальные насыпи соответствующей высоты.
Во внутренние отвалы порода может перемещаться экскаваторами, отвалообразователями, представляющими собой металлические конструкции на рельсовых или гусеничных тележках и оборудованные ленточными конвейерами, а также в автосамосвалах и вагонах.
Во внешние отвалы порода в основном перемещается железнодорожным или автомобильным транспортом.
Для размещения породы в отвалах и придания отвалам необходимых контуров применяются экскаваторы, отвальные плуги, бульдозеры и оборудование гидромеханизации.
Помимо работ по размещению пустых пород, на отвалах производят работы по переноске транопортных путей, перемещение которых необходимо осуществлять по мере наращивания откосов отвала.

Вскрытие месторождений

Как уже упоминалось, вскрытие месторождений, подлежащих разработке открытым способом, производится в основном траншеями. Однако в некоторых случаях вскрывающими выработками могут служить и подземные горные выработки и, наконец, иногда месторождение может быть вскрыто без проведения горных выработок.
Траншеи, вскрывающие месторождение, могут располагаться за пределами контура карьера или внутри его, в соответствии с чем они называются внешними или внутренними. Внешние траншеи (рис. 208, а) проводятся с земной поверхности вне карьера до его -проектируемого борта на уровне нижней рабочей площадки вскрываемого горизонта. Внутренние траншеи (рис. 208, б) проводятся с земной поверхности или с уровня вышележащего ранее вскрытого горизонта но (проектируемому борту карьера вплоть до уровня нижней рабочей площадки вскрываемого горизонта.
Траншеи делятся на вскрышные (проходимые для вскрыши месторождения) и добычные (для производства очистных работ) .

Бестраншейное вскрытие применяется при разработке главным образом небольших месторождений в тех случаях, когда грузотранспортная связь между рабочими горизонтами карьера и земной поверхностью осуществляется с помощью специальных видов оборудования, транспортирующего горную породу в своих рабочих органах (канатными скреперами, кабельными «ранами, ленточными конвейерами).
Вскрытие подземными выработками — вертикальным стволом с квершлагами (рис. 209, а), наклонными стволами, штольнями (рис. 209, б) применяется при разработке месторождений, залегающих на косогорах или на значительной глубине, при которой вскрытие траншеями становится нецелесообразным.

Системы открытой разработки месторождений

При открытом способе добычи полезных ископаемых под системой разработки понимается комплекс вскрышных, добычных и других работ, осуществляемых в определенном порядке в пространстве и времени.
Среди основных производственных операций открытых горных работ преобладающую роль обычно играет перемещение пустых пород вскрыши. Ниже приведена классификация систем открытой разработки месторождений, основным классификационным признаком которой является способ перемещения пустых пород в карьере:
I класс — системы разработки с перевалкой вскрышных город;
II класс — системы разработки с перевозкой вокрышных пород;
III класс — системы разработки с перевалкой и с перевозкой вскрышных пород;
IV класс — системы разработки с незначительным объемом вскрышных работ.
На рис. 210, а представлена система разработки с перевалкой пород во внутренний отвал непосредственно вскрышными экскаваторами. Эта система применяется преимущественно для разработки неглубоких тонких и средней мощности пластовых и пластообразных залежей. В качестве вскрышных экскаваторов (выполняющих в то же время и функции отвальных) применяются механические лопаты с удлиненными стрелами и рукоятями или драглайны.
На рис. 210, б представлена система с так называемой «кратной» перевалкой вскрыши. При данной системе вскрышные экскаваторы перемещают породу в выработанное пространство, откуда часть ее отвальными экскаваторами перемещается в верхние отвалы.

Данную систему разработки применяют тогда, когда параметры вскрышных экскаваторов недостаточны для перемещения породы в отвал. Вскрышные работы выполняются механическими лопатами или драглайнами, а перевалка пород — обычно драглайнами, которые располагаются на отвалах.
На рис. 210, в изображена схема системы разработки с перевалкой вскрыши отвалообразователями. В данной системе процесс выемки пород отделен от процесса их перемещения. Первый выполняется вскрышными экскаваторами, второй — специальными машинами — отвалообразователями. Системы с перевалкой вокрыши отвалообразователями применяются для разработки пластовых или пластообразных горизонтальных или весьма пологих залежей, имеющих большие запасы полезного ископаемого.
На рис. 210, г представлена система разработки с перевозкой породы на внутренние отвалы, применяемая для глубоко расположенных месторождений и представленных горизонтальными или пологими залежами, имеющими значительные размеры по простиранию. Перемещение породы от забоя до отвала осуществляется в железнодорожных вагонах или в самосвалах.
На рис. 210, д дана система разработки с перевозкой вскрыши на внешние отвалы. К данной системе прибегают в тех случаях, когда по условиям залегания рудных тел (залежей) расположение внутренних отвалов исключается, что имеет место при разработке крутых, наклонных и очень мощных горизонтальных залежей, а также месторождений, расположенных на косогоре.
Транспортировка пород на внешние отвалы производится обычно в железнодорожных вагонах или автосамосвалах. Расстояния перевозок достигают значительных величин.
На рис. 210, е представлена система разработки с перевозкой вокрыши на внутренние и внешние отвалы, применяющаяся тогда, когда по условиям работ часть породы представляется возможным разместить в выработанном пространстве, а некоторое количество ее приходится транспортировать во внешние отвалы.
На рис. 210, ж, з изображены системы с перевалкой и перевозкой вскрыши, называемые иногда комбинированными. При первой из этих систем производится частичная перевалка пород, и перевозка остальной части пород во внутренние отвалы при второй системе перевалка части пород во внутренние отвалы сочетается с перевозкой остальной части пород на внешние отвалы.
В отдельную группу выделяются системы разработки с незначительным объемом вcкрыши; один из вариантов этой системы представлен на рис. 210, и.

Охрана природы при открытой разработке месторождений

Горнодобывающая промышленность оказывает огромное влияние на окружающую среду — истощаются минеральные богатства земных недр, меняется рельеф поверхности, обедняется флора, загрязняются вода и воздух.
Нарушение земной поверхности является главным образом следствием открытой разработки месторождений. Карьеры и отвалы ежегодно уменьшают земельный фонд страны примерна на 35 тыс. га. Мероприятия по водопонижению приводят к изменению кадастра почвенных вод на больших площадях KMA и ряда других месторождений.
В настоящее время в процессе разработки месторождений и после нее осуществляется ряд горнотехнических мероприятий рекультивации земель: при вскрышных работах производится раздельная выемка и складирование почвенно-растительного слоя и неплодородных пород; породным отвалам придается такая конфигурация, при которой возможно последующее использование рекультивируемых земель для возделывания сельскохозяйственных культур, создания пастбищ и лесопосадок.
Поверхность отвалов перекрывается слоем гумусированных пород из штабелей, образованных при выемке почвенно-растительного слоя, или привозимых с других мест. Восстановление плодородия почв достигается за счет ряда агротехнических мероприятий, отвечающих вновь сложившимся топографическим, почвенным и биологическим условиям.
Горные выработки карьеров по окончании разработки месторождений могут использоваться для различных целей — искусственных водоемов, зон отдыха и т. п.